No.4-粉体物理性能测试技术

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1.3.5、氮吸附法测定粉末比表面 二、吸附理论：
.单层吸附———Langmuir等温吸附方程
第二部分 粉末物理性能检测
.多层吸附———B.E.T(Brunueer-Emmett- Teller) 等温吸附方程，基于Langmuir理论 .吸附平衡
三、BET方程式 ：
1 C 1 p 1 ( ) p0 Vm C p 0 Vm C V ( 1) p
m0
V0
： 比重瓶质量
； ms ：比重瓶+试样
： 比重瓶容量；
msl ：比重瓶+试样+液体
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比重瓶
容量10-30毫升
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试验步骤（水做浸透液）
1、测干重m0； 2、加满水，去气泡，擦干，测ml； 3、校准V0； 注：重复试验1-3步可只进行一次。 4、加入约40%的待测粉末试样，测ms； 5、加1/2~2/3水，转入真空装置除气，到没气泡溢出停止； 6、静置或恒温，达到室温时，再加满水，擦干称量得msl； 7、计算； 8、做平行样，取二者均值作为测得值。两者差1%以上，加倍 测量。
● 影响压缩性因素: a. 粉末加工硬化，压缩性能差
b. 不规则粉末：压缩性能差
c. 密度减少时（空隙增加），压缩性差
d. 碳、氧和酸不溶物含量的增加，压缩性变差
凡是影响粉末密度的因素都对压缩性有影响
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2.7 成形性
• 粉末被压制后，压坯保持既定形状的能力 。用粉末得以成型的最小压力表示，或者 用压坯强度表示。
本节内容： 粉体物理性能测试技术
• 密度的测定
– 真密度 – 有效密度 – 表观密度
• • • •
流动性的测定 压缩性的测定 成形性的测定 尺寸变化
二 粉体物理性能测试技术
2.1 粉末颗粒密度
● 真密度: 粉末材料理论密度D1 ● 有效密度（比重瓶密度）：包含闭孔隙在内的密度D2 ● 表观密度: 包含开、闭孔隙在内的粉末密度D3 D1= m/（V-V孔）= m/（V-V开-V闭） D2= m/（V-V开） D3= m/ V V—颗粒总体积； V孔—孔隙体积；V开、V闭—开、闭孔体积 D3<D2<D1
● 粉末体的孔隙度或密度是与颗粒形状、颗粒的密度和表 面状态、粉末的粒度和粉末组成有关的一种综合性质。
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●由大小相同的规则球形颗粒组成的粉末的孔隙度时，
θ＝0.476，最松散的堆积（packing）； θ＝0.259，最紧密的堆积（packing）
● 如果颗粒的大小不等 ，较小的颗粒填充到大颗粒的 间隙中，孔隙度将降低；
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• 试验录像
2.3 松装密度
• 定义: 粉末在自然充填容器时，单位体积 内自由松装粉末体的质量 g/cm3 • 意义: 自动压制，容积法装料，决定装料高 度，阴模高度等 • 影响因素: 粉末形状、粉末尺寸和分布、 表面光洁度等……
影响粉末松装密度的因素 a. 粒度: 粒度小，松装密度小 b. 颗粒形状：形状复杂， 松装密度小，松装密度从 大到小排列： 球形粉＞类球形＞不规则形＞树枝形 c. 表面光洁度 d、粒度分布 Particle size distribution ☻ 细粉比例增加，松装密度减小; ☻ 粗粉中加入适量的细粉，松装密度增大;
粉体物理性能测试技术
粉体粒度测试技术 知识回顾
• 1.3 粉末粒度测试技术 • 1.3.1 显微镜法测粒径 • 1.3.2 筛分法测粒径 • 1.3.3 激光粒度法 • 1.3.4 费氏法 • 1.3.5 氮吸附法 • 1.3.6 沉降法 • 1.3.7 电阻法 • 1.4 纳米颗粒的测量——分散
• 意义：模具设计
2.9 氢损
• 氢气氛围的质量损失。
• 意义：快速、准确测定铜、钢、铸铁、合 金、钛、镍、锆、陶瓷和其它无机材料中 氧、氮、氢的含量
• end
● 粉末锥的底角称为natural angle of repose。锥越高或自
然堆积角越大，则表示粉末的流动性越差；反之则流 动性越好。
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烘干样品装置
样品研磨装置
2.6 压缩性
• 粉末在规定条件下被压紧的能力。
• 单一压力或一组压力。 • 压坯密度
意义: 压坯密度对最终烧结密度有重要影响， 进而影响烧结体性能。
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1.3.7 电阻法颗粒计数器
• 又叫库尔特颗粒计数器，是基于小孔电阻 原理，即电阻增量是正比于颗粒体积
R

S S : 小孔横截面面积
V V 2
： 小孔内电解液的电阻率
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粉体粒度测试技术小结 （二）粒度测定（ Particle size measurement ）
粒径基准 几何学粒径 方法名称 筛分析 光学显微镜 电子显微镜 测量范围，μ m ＞40 500～0.2 10～0.01 粒度分布基准 质量分布 个数分布 同上
● Flow ability也采用前述测松装密度的漏斗来测定。标
准漏斗（又称流速计）是用150目金刚砂粉末，在40s 内流完50g来标定。
●还可采用粉末自然堆积角natural angle of repose试验测
定流动性（粉末通过一粗筛网sieve自然流下并堆积在 直径为1in.的圆板上），当粉末堆满圆板后，以粉末锥 的高度衡量流动性。
Sw 4.35Vm
只要测出固体吸附剂质量m，就可计算粉 体试样的比表面积S
Vm S 4.35 m
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1.3.5、氮吸附法测定粉末比表面
根据测量吸附气体量 的方式不同，分两种： • 1、流动色谱法 • （动态法） 需要标定 操作见P90
1.3.5、氮吸附法测定粉末比表面
2、容量法 （静态法） 需要真空装置，同时可测孔径分布 操作见P111
第二部分 粉末物理性能检测
1.3.6 沉降法粒度测定
• 主要是指通过颗粒在液体中沉降速度来 测量粒度分布； • 主要分重力沉降式和离心沉降式光透沉 降粒度仪； • 根据斯托克斯定律：
18 u0 d st g p
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颗粒在液体中的沉降状态示意图
当量粒径 比表面粒径 光衍射粒径
重力沉降 离心沉降 气体吸附 气体透过 光衍射 X光衍射
50～1.0 10～0.05 20～0.001 50～0.2 10～0.001 0.05～ 0.0001
质量分布 同上 比表面积平均径 同上 体积分布 体积分布
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1.4 纳米粉体的分散
介质分散（水、酒精、丙酮） 机械搅拌分散（球磨，超声） 表面活性剂分散 表面化学改性
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2.3.1 漏斗法
• 装置
孔：2.5、5.0mm 圆柱杯：25cm3，内径30mm
落差：25mm
2.3.1 漏斗法
• 试验步骤
– 调整好装置； – 堵住漏斗（2.5mm孔）底部小孔，倒入足够多 的粉末； – 打开小孔，粉末自由下落，直至完全充满杯子 并有溢出为止； – 若粉末不能流过该漏斗，换5.0mm的漏斗； – 仍不流，允许用1mm细金属丝捅一次； – 若最后还是不流，该试样不适应于漏斗法； – 刮平杯口，轻敲振实； – 称量杯内粉末质量。
p——吸附平衡时吸附质气体的压力 p0——吸附平衡温度下吸附质的饱和蒸气压 V——相对压力p0/p时气体吸附质的吸附量 Vm——单分子层饱和吸附量 C——与温度、吸附热和催化热有关的常数
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四、BET图：
1 C 1 p 1 ( ) p0 Vm C p 0 Vm C V ( 1) p
y=ax+b
● 颗粒形状影响孔隙度，形状越复杂，孔隙度越大；
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2.5 流动性
• 定义：一定量粉末(50g) 流经标准漏斗所需的时 间： • sec./50g • 意义：反映压制时粉末充填模腔的能力 • 影响因素: 颗粒间的摩擦 friction between the particles • ☻形状复杂，表面粗糙，流动性差 • ☻理论密度增加，流动性增加 • ☻粒度组成：流动性差
与静态气体吸附法比较，动态法的优点是明 显的： ①比表面积测量范围宽。 ②测量快速，如单点测量仅需半小时。 ③系统不再需要高真空； ④参数自动记录，操作简单。
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1.3.5、氮吸附法测定粉末比表面
由于费氏法对超细粉末的粒度测 量不适用（费氏法只适应测定比表面 ＜6000cm2/g的粉末），常常把吸附法 作为空气透过法测量的对比和补充测 量。
● 意义: 压坯加工能力，加工形状复杂零件的可能性
● 影响因素： 颗粒之间的啮合与间隙 a. 规则形状，颗粒间连接力强, 成形性好
b. 细颗粒，软粉末，成形性好
成形性和压缩性矛盾：成形性好的粉末压缩性差 压缩性好的粉末成形性差 必须综合考虑压缩性和成形性
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2.8 尺寸变化
• 从模腔尺寸到压坯尺寸 • 从压坯尺寸到烧结尺寸 • 总尺寸变化
2.3.3 振动漏斗法
• 装置
– 漏斗孔径：7.5mm，漏斗开口略大； – 振动器：振动频率100Hz，振幅100μm。
2.3.3 振动漏斗法
• 试验步骤
– 见书140页
• 结果
见书141页
• 漏斗法的试验录像
2.3.4 筛网法
2.4 振实密度
• 原理
– 将定量的粉末装在振动容器中，在规定条件下 进行振动，直到粉末的体积不在减小，测定粉 末的振实体积，再求得粉末振实密度。
2.3.1 漏斗法
• 结果
– 计算：ρ=m/v=m/25 g/cm3 – 100cm3样品分三份测量 – 取三次测量结果平均值；超平均值1%时，加报 最高和最低。
2.3.2 斯科特容量计法
• 装置
尺寸见书 140页
2.3.2 斯科特容量计法
• 试验步骤
– 见书143页
• 结果
– 书143页； – 100cm3样品分三份测量； – 取三次测量结果平均值；超平均值1%时，加报 最高和最低。
作图，得到一直线，其斜率a和截距b为
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五、什么是氮吸附法？
试样作为吸附剂，氮气作为吸附质。 当吸附达到平衡时，测量平衡吸附压力和 物体表面吸附的氮气体积，根据BET方程 式，计算试样单分子层吸附体积，从而计 算出试样的比表面积。
第二部分 粉末物理性能检测
采用N2作吸附质，在77 K（-195C）时， 1 个氮分子的截面积（即在吸附剂表面所占有 的面积）为0.162nm2。则固体吸附剂的表面积 为
● ρ—松装密度，ρ理—材料的theoretical density理论密度 或颗粒真 密度true density，与粉末体孔隙度θ的关系：
θ＝1－ρ/ρ理
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● ρ/ρ理 称为粉末体的相对密度relative density，用d 表示， 其倒数，β＝1/d称为相对体积relative volume。孔隙度 porosity与相对密度和相对体积的关系为： θ＝1－d 和θ＝1－1/β
2.4 振实密度
• 装置
– 量筒：25、100cm3 --振实装置：每分钟振动250±15次，振幅3mm
• 图例
• 试验过程
– 书145页，注意表3.3量筒和称样量选择 – 结果 – 试验录像
振实密度 tapping packing） density 与粉末体中的孔隙
● 振动使粉末颗粒堆积紧密，但粉末体内仍存在大量 的孔隙pores。空隙体积与粉末体的表观体积之比的百分数 称为孔隙度 Porosity （θ） ●粉末体中的孔隙包括pores in the particles and between the particles；
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2.2有效密度的测定——比重瓶法
● 原理 将粉末置于比重瓶中，加入液体介质，并让这种液体 介质充分地浸透到粉末颗粒的开孔隙中。根据阿基米德原 理，测出粉末的有效体积，从而计算出有效体积的质量， 即测得了粉末的有效密度。
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ms m0 l (ms m0 ) m Ve V 0 (msl ms ) / l V 0 l (msl ms )